Produção e caracterização de ligas não equiatômicas de alta entropia para uso como biomateriais

Abstract

O desenvolvimento de biomateriais metálicos com propriedades mecânicas e biológicas aprimoradas representa um desafio relevante na área de engenharia de materiais aplicada à saúde. Materiais tradicionalmente utilizados em implantes, como aços inoxidáveis, ligas Co–Cr e ligas de titânio, apresentam boa biocompatibilidade e resistência à corrosão, porém ainda apresentam limitações relacionadas principalmente ao elevado módulo de elasticidade e à necessidade de maior resistência mecânica e ao desgaste em aplicações de longo prazo. Nesse contexto, as ligas de alta entropia (High Entropy Alloys – HEAs) têm se destacado como uma nova classe de materiais promissores, devido à formação de soluções sólidas multicomponentes com estruturas cristalinas simples e propriedades mecânicas e químicas superiores. O presente trabalho teve como objetivo desenvolver e caracterizar ligas de alta entropia não equiatômicas produzidas por fusão a arco voltaico, visando compreender sua composição de fases, estrutura cristalina e microestrutura, com potencial aplicação como biomateriais metálicos. Foram investigadas quatro ligas multicomponentes representativas: CoCrFeMnNi, FeCoCrMnNi, TiNbTaZrMo e TaNbHfZrTi. As amostras foram produzidas a partir de metais de alta pureza, fundidos sob atmosfera de argônio e refundidos múltiplas vezes para garantir homogeneidade química, seguidos de tratamento térmico de homogeneização. A caracterização estrutural e microestrutural foi realizada por difração de raios X, microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura com espectroscopia de energia dispersiva. Os resultados indicaram a formação de soluções sólidas multicomponentes homogêneas, sem evidências de contaminação ou segregação significativa dos elementos de liga. As ligas à base de Co–Cr–Fe–Mn–Ni apresentaram estrutura predominante CFC, enquanto as ligas refratárias baseadas em Ti–Nb–Ta–Zr–Mo e Ta–Nb–Hf–Zr–Ti exibiram estrutura majoritariamente CCC. As densidades experimentais mostraram valores comparáveis aos de ligas comerciais utilizadas em implantes. Os resultados demonstram a viabilidade do processamento dessas ligas por fusão a arco voltaico e indicam seu potencial para aplicações biomédicas, estabelecendo bases para investigações futuras envolvendo propriedades mecânicas, eletroquímicas e biológicas.

Developing metallic biomaterials with better mechanical and biological properties remains a key challenge in healthcare materials engineering. Common implant materials like stainless steels, Co–Cr alloys, and titanium alloys offer good biocompatibility and corrosion resistance, but are limited by their high elastic moduli and a need for greater long-term mechanical strength and wear resistance. High-entropy alloys (HEAs) have emerged as promising alternatives, forming multicomponent solid solutions with simple crystal structures and outstanding mechanical and chemical properties. The objective of this study was to develop and characterize non-equiatomic high-entropy alloys produced by electric arc melting, with the aim of understanding their phase composition, crystalline structure, and microstructure, and to assess their potential as metallic biomaterials. Four representative multicomponent alloys were investigated: CoCrFeMnNi, FeCoCrMnNi, TiNbTaZrMo, and TaNbHfZrTi. The samples were produced from high-purity metals, melted under an argon atmosphere, remelted multiple times to ensure chemical homogeneity, and then subjected to a homogenization heat treatment. Structural and microstructural characterization was performed using X-ray diffraction, optical microscopy, and scanning electron microscopy with energy-dispersive spectroscopy. Based on these analyses, the results indicated the formation of homogeneous multicomponent solid solutions, with no evidence of contamination or significant segregation of the alloying elements. Specifically, the Co–Cr–Fe–Mn–Ni-based alloys had a predominantly CFC structure, while the Ti–Nb–Ta–Zr–Mo and Ta–Nb–Hf–Zr–Ti-based refractory alloys exhibited a predominantly CCC structure. Additionally, the experimental densities showed values comparable to those of commercial alloys used in implants. These results show that these alloys can be processed by electric arc melting. They indicate potential for biomedical applications. This lays the groundwork for future studies of their mechanical, electrochemical, and biological properties.